非淹没挺水植被水流特性试验研究

景何仿，张 凯，杨 程，董建强

(1.北方民族大学数值计算与工程应用研究所，宁夏 银川 750021;2.北方民族大学数学与信息科学学院，宁夏 银川 750021)

天然河流、湖泊、水库中生长有水生植被。水生植物对于泥沙输运、污染物的扩散及输移、生物养分的提取和交换、水体净化、岸坡的稳定性等都具有重要的作用或影响。由于河道中水生植被的存在，改变了河流的水流结构，增大了水流的阻力，使河流的过流能力下降，处理不当，往往会导致洪灾的出现。正因为如此，河道中的水生植被不仅在河道管理方面，而且在水环境、动物生态环境等方面具有重要的研究意义。

近年来学者们广泛地关注含植物相关水力问题的研究。渠庚等［1］研究了含植物明渠水流阻力特性变化规律，对不同植物的水流阻力分区进行回归分析，得到各植物的水流阻力经验表达式;吴龙华和杨校礼［2］利用水槽明渠圆柱扰流试验研究了挺水植被状态对水流阻力影响，表明挺水植被相对刚度和阻力系数之间关系密切;Carollo等［3］针对不同植被密度、不同流量、不同床面坡降的水槽，利用二维声学多普勒流速仪(ADV)进行了测量并分析比较;Wu and Yang［4］利用实测数据研究了淹没状态下弯曲刚性植被的水流特性;Folkard［5］在实验室水槽中对淹没状态下柔性有树冠的水生植被之间的水流特性进行了研究;Ricardo等［6］利用PIV测量了非均匀排列的淹没状态下的植被周围水流特征变量并进行了研究;近年来，随着计算机技术的高速发展，数值模拟作为一种重要的方法在含植被河流数值模拟研究中开始应用［7-8］。

本文利用LDV等高精度仪器设备，对具有挺水植被(用玻璃棒代替)的水流运动特征进行系列试验，研究植被在不同排列方式下对水流特性的影响。

1 装置与方法

1.1 试验装置

试验所用水槽采用自循环、固定底坡，总长20 m，由进水塔、玻璃水槽和回水池三部分组成，其中，玻璃水槽为长方体，长15 m，宽0.49 m，高0.5 m，底坡0.1%。玻璃水槽两侧边壁为透明玻璃，用铝合金条固定，底部为铝合金板。水槽下部为储水池。当电源开启时，水流通过压力管道由储水池输送到进水塔，然后进入玻璃水槽，再进入回水池，最后由回水池回到储水池，以此顺序不断循环。

挺水植被用圆柱形玻璃棒代替。植被区长490 mm，宽与水槽相同，距离水槽入口处9 m。在铝合金板上钻上直径为分别为10、8、6 mm 3种不同规格的圆孔阵列，两块规格完全相同的打孔后的铝合金板用4根高度相同的铝柱固定，上下平行，呈长方体形状。

玻璃棒则按照不同的排列方式插入孔阵中，再将其置入水槽中。玻璃棒按4种方式进行排列，分别为稀疏交错(工况1)、稠密交错(工况2)、稀疏并排(工况3)、稠密并排(工况4)。稀疏排列时相邻两玻璃棒的横向和纵向距离均为82 mm，而稠密排列时该距离为41 mm，如图1所示。

图1 水槽中玻璃棒和实测点的位置

水槽中水位测量利用水位测针进行，流量测量利用流量计进行，并结合实测流速值和水槽有水部分断面面积进行校正。流速测量利用美国TSI公司生产的三维LDV进行。该仪器可测量三维流速，流速范围为－300～700 m/s。由于是通过激光进行非接触式测量，精度很高，相对误差小于1%。

1.2 LDV测量

由于LDV是利用激光束射到流体中的随流体一起运动的固体颗粒上，来测量流体流速的，故实际上所测量的流速是随流体运动的固体颗粒的流速。因此，对水质有严格的要求，必须是清水，一般需要加入专用示踪粒子。一般自来水本身含有一定固体微粒，无需再加入示踪粒子。当数据率很低时，需要另外加入示踪粒子。

在测量时，激光束在每个测点处需停留一段时间，所测数据实际上是这段时间所捕获的所有粒子的平均值。停留时间可根据数据率而定，一般可取10～50 s，在实测时，取停留时间为20～30 s。

2 试验结果

2.1 水位实测结果及分析

水流流经植被群时，由于植被的阻力，流速减小，在流量不变的情况下，植被群上游水位会出现壅高，而流过植被群后，流速增大，水位又出现回落。因此，在植被区会产生较大的水面坡降。本试验利用圆柱形玻璃棒代替植被，高50 mm，直径6 mm。由于玻璃棒高度高于最高水位，因此可以用来模拟非淹没挺水植被。在流量相同(0.054 m3/s)时，当玻璃棒排列方式不同时，水位沿程分布有所不同，如图2所示。

图2 4种典型工况下植被区水位分布比较

从图2可以看出，植被的不同排列方式对植被区水面壅高及水面坡降影响很大。一般来说，稠密交错情形(工况2)不论水面壅高及水面坡降都最大，其次是稠密并排情形(工况4)，再次是稀疏交错情形(工况1)，最后是稀疏并排情形(工况3)。也就是说，稠密排列比稀疏排列水面坡降要大，交错排列比并排情况下水面坡降要大。

通过比较不同直径的玻璃棒水面壅高及水面坡降可以发现，在同一排列方式下，玻璃棒直径越大，水面壅高及水面坡降越大。

2.2 流速实测结果及分析

由于植被排列方式不同，不同工况下实测流场分布是不同的。现给出4种典型工况下流场分布，如图3所示。

图3 植被区实测流场

实测是利用LDV逐点进行的，在沿y方向(与壁面垂直的方向)一般在每个植被后面及相邻两个植被之间各布设一个测点，而沿z方向(与水面垂直的方向，即水深方向)一般每隔2 cm布设一个测点，沿x方向(水流方向)在每两个植被间隙布设一个测点。图3中的流场为实测数据沿z方向进行平均(水深平均)后得到的，且仅考虑了x和y方向的流速。因此，在不同工况下，由于植被数目不同，测点个数也不相同，流场的稀疏程度不同。

从图3可以看到，沿x方向的流速远大于y方向的流速，主流流向基本与水槽壁面平行。这主要是由于测点与玻璃棒较远，在玻璃棒附近的流场，情况并非如此。当植被并排排列时(图3中a和c)，流速大小沿y方向的差别较大。一般在植被后的测点上，由于植被的阻碍作用，流速较小;而在植被间隙处的测点上，流速较大。当植被交错排列时(图4b和d)，由于所有测点均在植被后(与前排植被的距离有所不同)，流速大小沿y方向的差别不大。

为了反映流速大小沿y方向的分布，就稠密并排和稠密交错两种工况，在三个典型横断面上，将流速大小在同一个图中展示出来，如图4所示。这3个典型横断面分别设置在植被区靠近上游、中游和下游处。可以发现，流速大小沿横断面(y方向)呈“W”形交错分布。对于植被并排排列情形，最小流速和最大流速差别较大，流速分布不均匀程度较为剧烈;而对于植被交错排列情形，则最小流速和最大流速差别不大，流速分布较为均匀。

为了比较植被群对水流流速的影响，现将不同工况下植被区上、下游断面平均流速进行比较，如表1所示。用LDV及有关仪器对植被区水位、流速进行了测量，并进行了比较分析。研究结果在河流治理方面、生态修复、动物生态环境等领域具有一定的工程应用价值。主要有以下一些结论:

表1 不同工况下植被上、下游断面平均流速

图4 植被区3个典型横断面流速分布

(1)排列方式相同(均为交错或并排)时，植被越稠密，水面坡降越大;交错排列方式比并排排列方式下水面坡降要大。

(2)植被区流速大小沿横断面呈锯齿形分布。植被并排情形下，流速波动幅度相对较大;植被交错情形下，流速波动幅度相对较小。

(3)在植被区上游，由于水位壅高，过水断面面积增大，流速相对较小;在植被区下游，由于过水断面面积缩小，流速反而增大。

(4)在植被上游区，在植被直径不变时，当排列方式相同(均为交错或并排)时，稀疏情形比稠密情形断面平均流速要大;当植株数相同(均为稠密或稀疏)时，并排情形比交错情形断面平均流速要大。

从表1可以看出，当植被直径不变时，在同一工况下，下游流速反而比上游流速大。这是因为植被区的阻流作用，使得植被区上游水位出现壅高，过水断面面积增大，流速减小;而当水流流过植被区下游时，水面下降，过水断面面积减小，平均流速变大。此外还可以看出，不同工况下，植被区上游流速有所不同，但下游流速变化不太明显。一般来说，在植被上游区，在植被直径不变时且排列方式相同(均为交错或并排)时，稀疏情形比稠密情形断面平均流速要大;在植被直径不变且植株数相同(均为稠密或稀疏)时，并排情形比交错情形断面平均流速要大。

3 结论

本文利用三维LDV对含挺水植被的实验室水槽水流特性进行了测量，并对实测结果进行了分析比较。试验中，用玻璃棒代植被，并按玻璃棒的稠密程度和排列方式分4种典型工况，在同一流量下，

［1］渠庚，张小峰，陈栋，等．含柔性植物明渠水流阻力特性试验研究［J］．水利学报，2015，46(11):1344-1351．

［2］吴龙华，杨校礼．挺水植被状态对水流阻力影响的实验研究［J］．水动力学研究与进展，2015(4):418-424．

［3］CAROLLO F G．，FERRO V，TERMINI D．Flow velocity measurements in vegetated Channels［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2002，128(7):664-673．

［4］WU L H， YANG X L．Factors influencing bending rigidity of submerged vegetation［J］．Journal of Hydrodynamics，2011，23(6):723-729．

［5］FOLKARD A M．Flow regimes in gaps within stands of flexible vegetation:laboratory flume simulations［J］．Environmental Fluid Mechanics，2011，11(3):289-306．

［6］RICARDO A M，FRANCA M J，FERREIRA R M L．Turbulent flows within random arrays of rigid and emergent cylinders with varying distribution［J］．Journal of Hydraulic Engineering，2016，142(9):1-6．

［7］罗晶，杨具瑞，谭毅源，等．湿地刚性植物对水流结构影响的三维数值模拟［J］．水电能源科学，2010，28(1):86-88．

［8］KIM H S， NABI M， KIMURA I， et al．Computational modeling of flow and morphodynamics through rigid-emergent vegetation［J］．Advances in Water Resources，2015，84(2):64-86．